多功能睡枕设计科创结题论文

(北京)CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM科技创新结题论文项目名称：多功能睡枕项目类别：科技类中国石油大学(北京)科技创新结题论文第4页摘要在学校的大力提倡与鼓励之下，我们小组通过申请获得参加此次科技创新活动的机会。该创新课题我们小组成员通过市场考察，实际生活感受提出。指导老师姜姗为我们提供实验场所和器材，同时细致悉心地进行全程实验指导，提供帮助。本项目整个过程共分五个阶段：第一阶段为2010年11月——2011年1月资料汇总阶段，小组成员一起搜集资料,搜索市面模型，学习可预置计时电路基本原理及单片机原理及应用，以及Multisim软件、Protel软件KeilC软件和Proteus软件，熟悉它们在电路设计中的应用。第二阶段为2011年1月——2011年3月，我们完成了电路框架图的设计，提出了总体电路的设计草案，并按计划完成了电路图的设计，最终通过应用先进的设计调试软件完成了电路的模拟测试工作，理论和仿真方面顺利完成。第三阶段2011年4月——2011年5月，主要按照设计要求和电路原理图购买原材料及所需器材等，并且使用通用电路板焊完成电路板和不断调试最终电路；第五阶段2011年7月——2011年9月，为实验分析及总结阶段。我们通过对电路的不断修改完善，尽可能实现所有功能，并最终完成科技创新结题报告和结题论文。本项目以此五步有序进行，基本完成了项目要求，充分学习了模拟和数字电子电路基本知识，掌握了定时电路的设计基本原理及应用，掌握了单片机基本原理及应用，并经过不断探讨，反复尝试，从而设计出了符合项目要求的电子电路，制作出电路板，之后对电路进行实际分析与实验可靠性验证，最后在此基础上总结实验内容撰写实验报告。关键词：科技创新，可预置定时电路，单片机，印刷电路板。目录第一章前言 21.1* 21.2* 21.3*……..……………2第二章总体设计思想及知识应用 32.1* 32.2* 3第三章* 43.1*………….43.2*…………….43.3*……………….43.4*…….43.5*………….43.6*…………….4第四章制作过程遇到的困难与克服 54.1*…………………54.2*…………………54.3*……………………54.4*………………6第五章*制成效果5.1功能效果 65.2外形效果 6第六章结束语7致谢 7参考文献 7第一章前言1.1普通生活用品的功能缺点枕头和闹钟是所有人每天睡觉使用的必需品，但长期以来，枕头的功能单一，缺乏合理的创新，尤其是在集体生活中，无意中给生活带来了很多不便。为达到在集体宿舍闹钟叫起时避免影响他人、有效缓解长时间工作后的疲劳以及娱乐休闲的目的，从而想要研究设计出这么一款多功能睡枕。其灵感来源于市场考察中遇到的音乐枕头，我们的目标是在音乐枕头和普通闹钟的基础上加上自己的创新使之更为实用。1.2本设计实现的总体功能将睡枕安装数字按摩式震动闹铃、立体声音乐播放器、防辐射储物袋1、可切换震动或音乐闹钟，可将预置定时的音乐，震动独立应用作为起床闹铃。在普通电子音乐闹钟的基础上，添加震动闹钟功能，既能够使入睡者达到由脊柱到大脑的全方位清醒，使入睡者彻底摆脱困意，直接投入到新一天的日程中；又能够随时调整启动，至于身体疲困部位达到按摩放松效果。2、播放器可以由外接电脑输入歌曲，也可以由芯片内部提前置入的若干首简单歌曲，睡前由轻音乐将使用者更快带入梦乡，既可以满足使用者的音乐要求，也可以放松一天的紧张心情，播放时间可由使用者预先控制，在使用者入睡后可自动关闭。3、在睡枕上制作防辐射储物袋，方便放手机等休息时需要放在身边的物品。第二章总体实际思想及知识应用可预置的定时显示报警系统是根据人为设定的预置时间，当达到预置时间，系统会自动进行报警。根据设计要求，我们组的设计方案分为七大部分：信号产生部分、分频电路部分、时间预置部分、计数部分、控制部分、显示部分及报警部分。每一部分通过计算与仿真得到合理的电路图并经过合理的连接与调试得到最终所需要的系统装置，完成设计内容。闹钟功能总体方案设计（一）设计方案1计时电路显示系统时间预置电路计时电路显示系统时间预置电路时基电路时基电路控制电路报警系统控制电路报警系统在此设计方案中可预置的定时显示报警系统共分成六大部分：信号产生单元、时间预置部分、计数部分、控制部分、显示部分及报警部分，其框架图如上图。在此方案中，信号产生装置由555多谐振荡器（方波频率为1KHZ）与分级分频电路（方波频率分频为1HZ）组成；时间预置电路单元的个位与十位的预置各由十个单刀单掷开关来控制；可逆计数器部分由74192芯片来实现；同时控制时间预置与系统清零的脉冲信号则由开关和基本RS触发器组成的电路来产生；显示系统则由七段显示管来实现；当计时结束后，计数器产生的脉冲信号输送给由555计时器和蜂鸣器组成的报警系统，让其报警（持续时间为1秒）。从而完成可预置的定时显示报警系统的设计过程。（二）设计方案2显示系统计时单元时间预置电路显示系统计时单元时间预置电路震动系统控制系统分频电路脉冲信号产生电路震动系统控制系统分频电路脉冲信号产生电路设计方案2是设计方案1的部分单元的优化，两者不同之处在于方案二的时间预置的单元电路比方案一较为完善和操作简单。方案二的时间预置单元由十个弹起开关、编码器、D触发器、三态门、锁存器及各种与非门等元件组成。当第一次按下弹起开关时输送给十位预置，第二次按下弹起开关时输送给个位预置。其他部分的单元电路两种方案基本一致。（三）系统总体方案选择及系统原理框图由于方案一中按键较多且是单置开关，操作起来较为繁琐。在方案二中，通过十个弹起开关控制预置输入，方便简洁，易操作，并且通过D触发器控制三态门实现定向输入，并通过锁存器进行锁存。其他电路单元的设计大体上一致，从而选择方案二来实现可预置的定时显示报警系统。系统框图如下：显示系统计时单元时间预置电路显示系统计时单元时间预置电路震动系统控制系统分频电路脉冲信号产生电路震动系统控制系统分频电路脉冲信号产生电路（四）单元电路设计1、555脉冲产生器此单元由555芯片组成占空比可调的多谢振荡器，此电路的功能产生频率为1KHZ的方波信号其电路图结构如图（1），所使用的主要元件是555芯片、电阻、电容及二极管。图（1）在此电路图中，根据多谐振荡器的计算公式f=通过计算选择的电阻为RB=R1=715同时考虑到电阻阻值受环境的影响，从而将RA用定值电阻R2和滑动变阻器2、分频器—千分频此电路单元的功能是将555多谐振荡器产生的方波信号进行一千分频。即B端口的输出信号的频率为1HZ。其具体电路结构如图（2），所使用的元件是3个74LS160芯片和2个与非门。图（2）此电路单元的每一74ls160芯片将时钟信号进行十分频，经过三次十分频后将555多谐振荡器产生的1KHZ的方波信号分频到1HZ的方波信号，从而提供给计数器单元做脉冲信号。3、时间预置单元此单元的电路图较为复杂，从而分成两部分进行描述和阐释。（1）按键电路单元，其功能是按下开关将输入一十进制数并经过编码器转换为二进制数。其电路结构如图（3）a，所使用的元件主要有74LS148芯片、与非门和与门及弹起开关。图（3）a图（3）a中芯片74LS148的功能表如下表输入输出EII0I1I2I3I4I5I6I7A2A1A0GSEO1xxxxxxxx11111011111111111100xxxxxxx0000010xxxxxx01001100xxxxx011010100xxxx0111011100xxx01111100100xx011111101100x01111111101000111111111110通过对其功能表的认识，组合了一个0~9的编码器，完成编码工作。（2）三态门与锁存器组成的信号定向输入的电路单元此电路单元的功能是实现对时间预置信号的定向输入和锁存。此单元的电路结构如图（3）b，所使用的主要元器件有三态门74LS125、74LS126，锁存器74LS77，触发器74LS74（位于图（3）a中的右下角）及四与非门74LS25等芯片图（3）b4、计数器电路单元这一单元电路的功能是从所预置的的时间进行可逆计数。其电路结构如图（4），其所用的电路元件主要是可逆计数器74LS192芯片。图（4）在计数器这一单元，由555多谢振荡器与多级分频器提供频率1HZ的脉冲时钟。由时间预置单元完成预置，当按下计时开关space，计数器开始从预置时间进行计数，当计数器计数完成后将产生一信号输送给报警系统进行报警。经过用Multisim2001仿真得其可以正常工作，不存在问题。5、显示电路单元其功能是通过对计数器的输出端的二进制码进行译码及通过七段显示管显示计数过程中所剩余的时间。其电路图结构如图（5），其所用的主要元件是DCD-HEX。在此元件内部含有译码器因此只需将其管教接入计数器相应的部位即可对计数器的状态进行显示。此元件的功能表如下表数字012345678940000000011300001111002001100110010101010101图（5）6、报警系统此部分的电路的功能是当计数器结束工作时，由555定时器定时让蜂鸣器发出响声持续1秒钟。其电路结构如图（6）图（6）555定时器的功能表如下表555定时器构成的单稳触发器的暂稳态的持续时间的计算公式为t=1.1R由于要保证持续时间为1秒，从而选择的元件参数如下：电阻7、清零装置的单元电路此单元电路的主要功能是对系统进行手动清零。其电路结构如图（6）所示，所使用的是由与非门构成的RS触发器结构。工作过程：开始时，RS触发器的Q端为1，计数器正常工作。当按一下开关Key=C时，Q 端为0，计数器进行清零。R0110S101010禁止说明：为Q端新状态，为Q端原状态图(7)RS触发器的功能表如右上方的图表所示。音乐播放功能总体方案设计设计电路图单片机源代码通过对单片机原理及应用的初步学习，我们通过单片机控制，使之实现通过控制蜂鸣器能够播放千年之恋、寂寞沙洲冷两首歌曲。（见附录一）三、系统总体电路可预置定时电路部分总体电路图（8）单片机部分总体电路图总的电路系统分为七大电路单元：（1）方波信号产生电路，此电路单元根据555多谐振荡器的频率计算公式选用合适的原件产生频率为1KHZ的方波信号；（2）分频电路，本单元是利用十进制计数器的十分频特性经过三次分频将555多谐振荡器产生的方波信号进行一千分频；（3）时间预置电路，通过74LS148芯片组合的编码器产生二进制信号，在经过一系列的控制元件完成计数器的定向预置；（4）计数器电路，进行减法计数直至到零结束计数；（5）显示系统，其内部含有译码器，从而可以便捷的显示计数状态；（6）报警系统，当计数器完成计数后产生一脉冲信号激发555定时器产生一暂稳态高电位，并根据所选元件控制高电位的时长继而控制蜂鸣器的鸣响时间，完成报警；（7）手动清零电路，其主要部分为RS触发器，按一下双掷按钮，系统将进行一次清零。经过对以上各部分的电路功能的整合，从而完成对可预置的定时显示报警系统的设计。四、系统仿真及实现（一）Multisim仿真过程1、555多谢振荡器的仿真电路图如图（1）对其输出端的波形测试得到如图（9）的波形图（9）通过计算选用的参数为RB=R1=715Ω2、多级分频器的仿真160芯片构成十进制计数器从而对555多谐振荡器产生的时钟信号进行十分频，对第一级十分频输出端口的信号进行检测及与55多谐振荡器输出端口的波形进行对比得到如图（10）的仿真结果。通过与555多谐振荡器输出端口的波形进行比较得到分频器可以正确工作。图（10）3、时间预置单元电路的仿真对时间预置单元电路的仿真原理说明如下开始阶段，将置数-计数转换开关打到置数挡时D触发器Q端口为0，当按下弹起开关，向芯片74LS148组成的编码器输入一个十进制信号，编码器输出二进制信号。同时D触发器在上升沿发生翻转，Q为1。此时仅74126芯片的三态门工作，从而将预置信号定向输送给计数器的高位。再一次按下弹起开关时，触发器再次在上升沿发生翻转，Q为0。此时仅74125芯片的三态门开始工作，将预置信号定向输送给计数器的低位。从而完成定向输入。以高位为例说明锁存功能。当预置信号未进入高位（即十位）锁存器时，其使能端EN处于高位，可以输入信号。当信号输入完成后，信号通过芯片74LS25整合后控制高位锁存器的使能端EN使其处于低位，从而进行锁存。并将信号输入到计数器预置端口，完成预置。低位锁存功能与高位相同。时间预置单元电路的仿真过程如下：D触发器Q端的电位变化过程如下（以灯的明灭表示高低电位）开始置数前的状态如图（11）图（11）按下第一次按钮给十位置数后状态如图（12）图（12）按下第二次按钮给个位数置数后状态如图（13）图（13）由以上三个图可知通过D触发器控制三态门可以实现定向输入信号。74ls77的锁存功能验证（以输入51为例）以七段显示管的显示数字为依据。打开电源后的显示状态如图（14）：图（14）按一次按钮5给十位输入信号5后的显示状态图（15）：图（15）按一次按钮1给个位输入信号1后的显示状态图（16）图（16）显示系统显示所预置的时间正确，表明时间预置电路的三态门与锁存器的功能正确。4、计数器单元电路仿真192芯片的功能表如下表：由其功能表可知其工作原理，即时74LS192芯片处于减法计数状态。其仿真过程是在置数结束后，将置数-计数开关打到计数挡，计数器开始减法计数，当计数到零秒时停止计数，仿真结束。与此同时，报警系统开始工作。5、显示系统的仿真过程显示系统使用的是自带译码器的七段显示数码管。因此，其仿真过程与计数器的仿真过程同步。即每时每刻显示着计数器的计数状态。6、报警系统的仿真过程计数器计数状态结束前后，555定时器管脚2的输入信号波形如图（17）当其电位由高转变为低时，蜂鸣器两端加上了5V电压从而发出响声，并且持续时间为1秒钟。图（17）7、手动清零单元电路的仿真过程此电路单元的输出端Q接入两个74LS192芯片的清零端。正常状态下，输出端Q为低位，192芯片正常工作，显示系统显示计数状态。按下清零开关后，Q端为高位,74LS192芯片进行系统清零，显示系统显示为零。清理系统的功能得以验证。正常状态下Q端的电位图（18）所示为低电位。按一次双掷按钮，灯泡立刻变亮，随后又变灭。图（18）（二）Protel原理图绘制（三）PCB绘制电路板丝印图第三章元器件清单元件名称元件类型个数封装号电阻1KΩ15805100Ω180510KΩ1805450KΩ1805500KΩ1805可变电阻50KΩ1axial0.8电容0.01uF180510uF18051uF180530pF2805芯片74ls002DIP-1474ls021DIP-1474ls042DIP-1474ls082DIP-1474ls301DIP-1474ls741DIP-1474ls752DIP-1674ls1252DIP-1474ls1481DIP-1674ls1602DIP-1674ls1922DIP-1689c511DIP-40N5551DIP-845112DIP-16显示管LED2sip8指示灯LED1RAD0.4开关单刀单掷3rad0.2按钮开关10rad0.2双掷按钮1dip4晶振1MHz1XTAL1其他元件DIODE2axial0.4DDJ1SIP-2POWERSIP-2RB.3/.4RB.3/.5RB.3/.6第四章制作过程遇到的困难与克服我们在做科技创新过程中所遇到的分一下几个方面;原理图设计过程我们刚刚学过电子技术基础的课程，又做了电子技术课的课程设计，对于原理图的设计要求有了很深的体会。但在设计过程中，我们仍遇到了不少难克服的问题。首先是软件使用不熟悉导致设计过程艰难。这一问题在我们组人员在不断的熟悉软件操作之后得以克服。其二就是在设计过程中，有些元件的选用和使用中存在着困难。在十转二的锁存过程中就存在无法所存的问题，在经过向老师请教和自己通过实验仿真之后得以解决。二、购买原器件过程在原理图设计完成并经过Multisim仿真确定无误之后，我们前往电子元器件批发市场购买原器件为做实物实验做准备。但由于理论上所使用的元器件大多都已经快被淘汰或已经不生产的元器件，因此又根据市场上所存在的元器件进行修改原理图，再一次进行实验仿真。从而完成了器件购买。实物实验过程实物实验过程中需要的器材和场地是需要迫切解决的，由于这一过程只能在暑假完成，但又缺少实验所必